碱性无氰镀锌溶液中阴阳极问题的探讨

吴双成

（甘肃皋兰胜利机械有限公司，甘肃 皋兰730200）

1 碱性镀锌不溶性阳极的选择

碱性镀锌常使用不溶性阳极，以此来提高阳极的导电能力、改善阳极的电流分布以及降低镀槽中主要成分的总质量浓度。氰化物镀锌和碱性无氰镀锌所使用的不溶性阳极并不完全相同。碱性无氰镀锌时常使用铁板、镍板、镀镍铁板、不锈钢板甚至是石墨板作不溶性阳极；中高氰镀锌时不能使用不锈钢板作不溶性阳极，而是使用铁板较多［1］。碱性无氰镀锌时必须使用0号锌板作可溶性阳极；中高氰镀锌时可使用1号或0号锌板。锌锭最好浇铸成锌板使用。

一般阴阳极面积比约为1∶（1.5～2.0），阴极面积为镀件面积，阳极面积为阳极单面面积的1.25倍。当阴阳极面积比小于工艺范围时，工件高区易烧焦；当阴阳极面积比大于工艺范围时，工件易出现阴阳面。阳极长度要比阴极长度小10cm以上，否则，最底层工件易烧焦。阳极摆放宽度要比阴极宽度小10cm以上，否则，两边易烧焦。阴阳极距离不得小于15cm，距离太小工件容易烧焦。阴阳极距离越大，分散能力越好，但电压越高，温度上升越快，电耗越大。

2 碱性镀锌阴阳极面积比的控制

锌酸盐镀锌的阳极面积应当比氰化物镀锌的阳极面积大一些。但由于镀液中Zn2＋的质量浓度不高（约为10g／L），如果锌阳极与阴极的面积比大于2，则Zn2＋的质量浓度会升高；如果减小阳极面积，将引起阳极钝化，影响电流的正常导通。因此，可用铁板或镍板作为不溶性阳极来替代部分锌阳极，以保证有足够的阳极总面积。

设镀件阴极面积为S阴，阳极锌板面积为S锌，阳极铁板面积为S铁，阴极电流密度为J阴，阴极电流效率为η，阳极锌板、铁板的电流密度为JA。

2.1 锌板与镀件的面积比

理想条件下，阳极锌板发生电化学溶解时产生Zn2＋，没有其他的副反应，阳极锌板通过的电流为JA·S锌。镀件阴极消耗Zn2＋和H＋，镀锌的同时生成氢氧化钠，阴极消耗Zn2＋时通过的电流为S阴·J阴·η。为了使溶液中Zn2＋的质量浓度保持平衡，必须使两者相等，即：

碱性锌酸盐镀锌的阴极电流效率一般在70%～85%之间。夏季阳极电流密度一般不超过2A／dm2。否则，阳极钝化，可溶性锌阳极转化成不溶性阳极。据笔者观察，阳极平均允许的最高电流密度为1.3A／dm2，超过1.3A／dm2后阳极开始钝化。工艺规定阴极电流密度一般在1～6A／dm2之间，实际生产时为了提高镀速和深镀能力，常取中限2～3A／dm2。

当J阴＝2A／dm2，η＝70%时，代入（2）式求得：S锌／S阴＝1.08。当J阴＝3A／dm2，η＝85%时，代入（2）式求得：S锌／S阴＝1.96。这就是说，锌板与镀件的面积比一般在（1.08～1.96）∶1之间。

当然，实际生产时一定要避免Zn2＋的质量浓度波动过大，使其维持在一定的范围内。镀液中Zn2＋的质量浓度受多种因素影响，例如：镀液温度、NaOH的质量浓度、添加剂、光亮剂、阴阳极面积比等。当镀液温度高、NaOH的质量浓度高、添加剂和光亮剂的质量浓度高、锌板面积较大或长时间浸泡在镀液中时，都会引起Zn2＋的质量浓度升高；反之，则引起Zn2＋的质量浓度下降。考虑到出槽时镀件会带出部分Zn2＋和NaOH，因此，实际生产时锌板与镀件的面积比要小于2∶1才合理。

2.2 铁板与镀件的面积比

碱性镀锌的阴极电流效率只有70%～85%，15%～30%的电流用于析出氢气并产生OH—，1mol电子可产生1mol OH—。在阳极铁板上的电流用于析出氧气并消耗溶液中的OH—，1mol电子可消耗1mol OH—。阳极铁板上消耗OH—的电流为S铁·JA，镀件阴极上产生OH—的电流为S阴·J阴·（1-η）。为了使溶液中OH—的质量浓度保持平衡，必须使两者相等，即：

当J阴＝2A／dm2，JA＝1.3A／dm2，η＝70%时，代入（4）式求得：S铁／S阴＝0.46。当J阴＝3 A／dm2，JA＝1.3A／dm2，η＝85%时，代入（4）式求得：S铁／S阴＝0.35。这就是说，铁板与镀件的面积比一般在（0.35～0.46）∶1之间。

2.3 锌板与铁板的面积比

将（2）式除以（4）式求得：

当η＝70%时，代入（5）式求得：S锌／S铁＝2.33。不溶性阳极铁板面积占阳极总面积：1／（1＋2.33）＝0.3＝30%。当η＝85%时，代入（5）式求得：S锌／S铁＝5.66。不溶性阳极铁板面积占阳极总面积：1／（1＋5.66）＝0.15＝15%。这就是说，理论上锌板与铁板的面积比一般在（2.33～5.66）∶1之间，不溶性阳极铁板面积占阳极总面积的15%～30%才合理。多挂铁板就可以少挂锌板，节省价格较贵的锌阳极材料，所以实际生产时按铁板面积占阳极总面积的30%为好，即：锌板面积约为铁板面积的2倍。

2.4 阳极与阴极的面积比

将（2）式与（4）式相加求得：

当J阴＝3A／dm2，JA＝1.3A／dm2时，代入（8）式求得：S阳／S阴＝2.30。当J阴＝2A／dm2，JA＝1.3 A／dm2时，代入（8）式求得：S阳／S阴＝1.54。这就是说，阳极与阴极的面积比在（1.54～2.30）∶1之间。

考虑到镀液的带出损失，需减小阳极总面积。因为镀液中NaOH与Zn2＋的比例为10∶1，NaOH的带出损失要比Zn2＋的大一些，这就需要使阳极与阴极的面积比维持在2∶1才合理。如果阳极与阴极的面积比按2.3∶1，Zn2＋的质量浓度容易升高，OH—的质量浓度容易下降，出现镀层粗糙、深镀能力差等问题。

3 锌板的铸造

熔铸锌阳极板的锌锅若用普通碳钢焊制，其钢板中硅的质量分数一般在0.3%左右，远高于适宜做热镀锌锅的低碳痕硅钢中的硅的质量分数，并且熔锌温度又控制不好，从而造成了锅壁中的铁强烈地向锅内熔融的锌中扩散，使锌中铁的质量分数随着熔锌时间的延长而成倍地增加，故而所铸造出的锌阳极板中含有较多的铁杂质。分散细密的铁在强碱性镀锌液中处于钝态，不能以离子状态溶入镀锌液中。随着锌阳极板的溶解，铁以固体微粒形式逐渐地弥散进入镀液中，使得快速沉积的零件内腔和低电流区产生粗糙、发黑的现象。

本人用普通槽钢作为熔铸容器，将合适尺寸的槽钢两头用铁板焊接堵住。压碎的锌锭放入槽钢模具中，连同槽钢模具一起在热处理炉中熔化，熔化温度为550～600℃。熔化后拉出槽钢，稍冷即成与槽钢模具一样大小的锌板。熔化温度低时，熔化速率慢；熔化温度高时，可能会使锌板中引入铁杂质。在这样的条件下铸造的锌板经过实际应用，效果很好，没有出现质量问题。

阳极中镉的质量分数超过0.1%时，阳极的导电性下降，而且会产生粗糙、麻点等现象，甚至得到近似海绵状的镀层。阳极含铅较多，使得溶液中铅杂质的质量浓度上升，加快钝化膜的变色。严重时，无法钝化出正常颜色的钝化膜，且钝化膜的结合力很差。

由于碱性镀锌有阳极的化学溶解，造成溶液中Zn2＋的质量浓度上升，以致于不得不冲稀溶液。因此，有条件时可采用轧制过的阳极，轧得紧密一些为好，可以延缓阳极的溶解。使用铸造阳极的，注意铸造质量，锌的晶粒均匀为好，这样可减少未溶解而溶入槽中的锌粒，从而减少阳极泥。

4 应用效果

生产中除了采用较好的添加剂外，还应选择优质的锌阳极，建议采用0号锌锭，并用耐碱的涤纶套，以避免阳极泥渣进入镀液而造成镀层毛刺。阳极与阴极的面积比约为2∶1，分布要合理，使电力线分布均匀。当镀液中Zn2＋的质量浓度偏低时，可多挂一些锌板；若镀液中Zn2＋的质量浓度偏高，则少挂锌板，可适当挂些钢板，钢板面积约为锌板面积的1／2。

文献［2］介绍：为防止镀液中Zn2＋的质量浓度升高，可控制锌板与不溶性阳极的面积比为1∶4。这个比例中锌板太少，会引起镀液中Zn2＋的质量浓度下降。本人认为实际生产时按铁板面积占阳极总面积的30%为好，即：锌板与不溶性阳极铁板的面积比为2∶1。

经过实际生产验证：按照这个比例控制的镀液是稳定的，一年中很少添加ZnO和NaOH，节约了原材料，降低了生产成本，镀层质量好，正品率高；原来挂多少锌板、铁板心中无数，镀液成分失调，出现很多返工品，耽误生产进度，影响正品率。

［1］陈圣云.不溶性阳极引起的微氰镀锌故障分析［J］.材料保护，2000，33（4）：20.

［2］梅睿，常德华.碱性无氰镀锌工艺研究［J］.电镀与环保，2011，31（5）：23-25.